수온약층
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1. 개요
수온약층은 수온이 급격하게 변하는 층으로, 해양, 호수, 대기에서 나타난다. 해양에서는 햇빛, 파도, 해류 등의 영향으로 혼합층 아래에 형성되며, 계절에 따라 변화하는 계절 수온약층과 비교적 덜 변하는 주 수온약층으로 구분된다. 호수에서는 표수층과 심수층을 구분하며, 대기에서는 대류권과 성층권 사이의 경계로 나타나며, 대기 오염과 소음 공해 연구에도 적용된다. 수온약층은 음파의 전달에도 영향을 미쳐 잠수함 작전, 고래의 의사소통, 장거리 잠수함 탐지 등에 활용된다.
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| 수온약층 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 정의 | 수괴 내에서 온도의 변화가 급격한 층 |
| 특징 | 비교적 얇은 수층에서 수온이 급격하게 변하는 현상 |
| 관련 현상 | 음파의 굴절 생태계에 영향 |
| 물리적 특성 | |
| 깊이 | 수심 수십 미터 |
| 발생 원인 | 표면 가열 담수 유입 |
| 계절적 변화 | 여름철에 뚜렷하게 형성 |
| 밀도 변화 | 수온 약층을 경계로 밀도 급격히 변화 |
| 음향학적 중요성 | |
| 음파 굴절 | 음파가 수온 약층에서 굴절되어 음탐 성능에 영향 |
| 깊이 산정 | 수온 약층의 깊이는 음향학적으로 중요 |
| 해양학적 중요성 | |
| 영양분 공급 | 깊은 곳의 영양분이 표층으로 올라오는 것을 막음 |
| 생태계 영향 | 플랑크톤 분포와 해양 생태계에 영향 |
| 기타 정보 | |
| 관련 용어 | 등밀도층 |
2. 해양 수온약층
해양 수온약층은 바다에서 깊이에 따라 수온이 급격하게 변하는 층이다. 햇빛에 의해 따뜻해지는 표면 혼합층과 차가운 심해층 사이에 만들어지며, 깊이와 강도는 계절, 위도, 해류 등에 따라 달라진다.
최초의 정확한 전 지구적 수온약층 측정은 HMS 챌린저 탐험 중에 이루어졌다.[4]
수온약층은 개방된 해양에서 음의 음속 구배를 띠므로 잠수함 작전에서 중요하게 활용된다. 수온약층은 능동 소나를 비롯한 음향 신호를 반사할 수 있기 때문이다.
스쿠버 다이빙을 할 때, 수온이 몇 도 갑자기 떨어지는 수온약층을 종종 관찰할 수 있는데, 이는 두 수역 사이에서 나타나는 현상이다. 물에 주름진 유리와 같은 외관을 띠며, 이는 차갑거나 따뜻한 물의 굴절률 변화 때문에 발생한다.
2. 1. 해양 수온약층의 형성
햇빛은 대부분 바다 표면의 몇 cm에서 흡수되며, 낮에는 바다가 햇빛을 받아 따뜻해지고 밤에는 열을 우주로 방출하며 식는다. 파도는 바다 표면 근처의 물을 섞이게 하고, 해류로 인한 난류는 열을 더 깊은 곳으로 분산시켜 수심 100m 정도까지는 수온이 비교적 균일하게 유지되도록 한다. 이 층을 혼합층이라고 부른다. 혼합층 아래에서는 낮과 밤의 변화에도 수온이 비교적 안정적으로 유지된다. 심해의 수온은 깊이에 따라 점차 낮아진다. 바닷물은 -2.3°C가 되어야 얼기 시작한다.수온약층의 깊이는 장소에 따라 다르다. 열대 지방에서는 연중 거의 변화가 없는 수온약층이 나타나지만, 온대 지방에서는 계절에 따라 수온약층의 깊이가 변한다. 극지방에서는 바닷물이 표면에서 바닥까지 차갑기 때문에 수온약층이 얕거나 아예 나타나지 않는다. 해빙은 단열재 역할을 한다.[3]
2. 2. 해양 수온약층의 종류
해양의 수온약층은 계절에 따라 깊이와 강도가 달라질 수 있다.[3] 이는 겨울철에 혼합층이 더 두껍고 여름철에 혼합층이 더 얇은 중위도 지역에서 특히 두드러진다.[5]
- 계절 수온약층(seasonal thermocline|시즈널 서모클라인영어): 계절의 변화를 강하게 받는 수온약층이다. 여름철에는 표면층/혼합층의 수온이 높아 계절 수온약층이 강력하고 뚜렷하게 나타난다. 하지만 겨울철이나 봄철, 그리고 북극해에서는 표면층/혼합층의 수온이 내려가 계절 수온약층이 심해의 수온약층과 구별이 어려워진다.[5]
- 주 수온약층(main thermocline|메인 서모클라인영어): 계절 변화에 비교적 영향을 덜 받는 수온약층으로, 연중 혼합층의 최대 깊이 아래에 위치한다.[6] 주 수온약층에서는 심해의 차가운 층의 수온 기울기를 넘어선 큰 수온 기울기가 존재한다.
2. 3. 해양 수온약층의 특징
수온약층은 개방된 해양에서 음의 음속 구배를 띄는 특징을 가지는데, 이는 잠수함 작전에서 매우 중요하다. 수온약층은 능동 소나 및 기타 음향 신호를 반사할 수 있기 때문이다. 이러한 현상은 밀도의 급격한 변화로 인해 발생하는 물의 음향 임피던스 불연속성에서 비롯된다.[2]스쿠버 다이빙을 할 때, 수온이 섭씨 몇 도 갑자기 떨어지는 수온약층을 관찰할 수 있다. 예를 들어, 차가운 용승수가 따뜻한 물의 표면층으로 유입되는 경우, 두 수역 사이에서 이러한 현상이 나타난다. 이는 물에 주름진 유리와 같은 외관을 부여하며, 차갑거나 따뜻한 수층의 변화된 굴절률 때문에 발생한다. 이와 같은 슐리렌 현상은 공항이나 사막 도로에서 뜨거운 공기가 아스팔트 위로 올라갈 때 관찰되는 신기루의 원인이기도 하다.
해양에서 혼합층은 서피스 덕트라고 불리는 사운드 채널을 형성한다. 혼합층 내에서 발생된 음은 혼합층 내에 갇히게 된다. 그 결과, 혼합층 바로 아래의 수온약층 내는 섀도우 존이 되어 음선이 도달하기 어렵다. 따라서 수온약층에 숨어 있는 잠수함은 서피스 덕트 내의 소나로는 탐지하기 어렵다. 이러한 이유로 혼합층 하단의 깊이(층심)를 파악하는 것은 대잠전에서 매우 중요하다.
수온약층 아래쪽에서도 수온약층과 심해 등온층의 경계를 음속 극소점으로 하는 사운드 채널이 형성되는데, 이를 심해 사운드 채널(SOFAR 채널)이라고 한다. 이 채널은 해면이나 해저로의 반사에 의한 음향 손실이 적어, 중간 정도의 음향 출력으로도 매우 장거리 전파가 가능하다. 고래의 노래를 이용한 장거리 통신이나 SOSUS를 이용한 장거리 잠수함 탐지에 활용된다.
2. 4. 한반도 주변 해역의 수온약층
한반도 주변 해역은 계절에 따라 수온약층의 변화가 뚜렷하게 나타난다. 특히 여름철에는 강한 일사량과 약한 바람의 영향으로 표층 수온이 상승하면서 얕고 강한 수온약층이 형성된다. 반면 겨울철에는 냉각된 표층수와 바람에 의한 혼합 작용으로 수온약층이 깊어지고 약해진다. 이러한 수온약층의 변화는 어종 분포, 해양 환경 변화 등에 영향을 미친다.북반구에서 표면 온도가 가장 높은 시기는 8월과 9월이며, 가장 낮은 시기는 2월과 3월이다. 전체 열 함량은 3월에 가장 낮다.[5] 이는 추운 달 동안 파괴되었던 계절적 수온약층이 다시 형성되기 시작하는 시기이다. 해양의 수온약층은 계절에 따라 깊이와 강도가 달라지는데,[3] 이는 겨울철에 혼합층이 더 두껍고 여름철에 혼합층이 더 얇은 중위도 지역에서 특히 두드러진다.[5] 낮은 겨울 기온은 수온약층을 더 깊은 곳으로 내려가게 하고, 따뜻한 여름 기온은 수온약층을 다시 상층으로 끌어올린다. 열대와 아열대 지역에서는 여름철에 수온약층이 다른 지역보다 더 얇아지는 경향이 있다.[5] 고위도, 즉 극지방 주변에서는 따뜻한 표층수와 함께 영구적인 수온약층보다는 계절적인 수온약층이 더 많이 나타난다.[5]
3. 호수 수온약층
호수에서도 수온 약층이 관찰될 수 있으며, 이는 성층 현상으로 이어진다. 여름철에는 따뜻한 물이 차가운 물 위에 떠 있는 안정적인 상태가 유지되는데, 이 때문에 수온 약층 아래에는 산소가 점점 줄어드는 현상이 나타난다. 북극 및 남극 해역에서도 이와 비슷한 현상이 발생하여 산소는 적지만 영양분이 많은 물이 표면으로 올라온다. 이러한 영양분은 조류 번식과 식물성 플랑크톤을 생성하여 이 지역을 생산적으로 만든다.[1] 이 과정에서 열적 막대가 형성될 수 있다.[2]
수온 약층에서는 파도가 발생하여 수온 약층 깊이가 진동할 수 있는데, 이는 세이시 형태가 일반적이다.[3] 또는 융기된 바닥 위를 흐르는 흐름에 의해 파도가 유도되어, 시간에 따른 변화는 없지만 흐름을 따라 이동하면서 깊이가 달라지는 수온 약층 파도를 생성할 수도 있다.[3]
3. 1. 호수 수온약층의 형성
여름철에는 햇빛에 의해 데워진 따뜻한 물(표수층)이 차갑고 밀도가 높은 깊은 물(심수층) 위에 위치하며, 이 둘 사이는 수온약층으로 구분된다. 특히 잔잔한 날씨에는 따뜻한 물과 차가운 물이 거의 섞이지 않아 안정적인 시스템이 유지된다.
눈금은 각 층을 해당 깊이 및 온도와 연관시키는 데 사용된다. 화살표는 물 표면을 가로지르는 바람의 움직임을 보여주며, 표수층과 심수층의 뒤집힘을 시작한다.
여름이 지나면서 수온약층 아래의 물은 표면으로 순환하지 않아 산소가 점점 줄어든다.[1] 물 속의 유기체가 산소를 소모하기 때문이다.[1] 겨울이 다가오면서 밤의 냉각으로 인해 표면 수온이 낮아진다.[1] 차가워진 표면수의 밀도가 깊은 물의 밀도보다 커지면, 밀도가 높은 표면수가 아래로 이동하면서 뒤집힘이 시작된다.[1] 이 과정은 바람이나 해류 등 물을 섞이게 하는 다른 요인에 의해 가속화된다.[1]
표면 온도가 계속 낮아져 물이 얼기 시작하면, 가장 밀도가 높은 4°C의 물이 바닥으로 가라앉고, 밀도가 낮은 물(어는점에 가까운 물)이 위로 올라와 새로운 수온약층이 형성된다.[2] 이 새로운 층은 얼음이 녹고 표면 수온이 4°C로 상승한 후 발생하는 '봄 뒤집힘'까지 유지된다.[2]
4. 대기 수온약층
대류권(하층 대기)과 성층권(상층 대기) 사이의 열적 경계는 수온약층이다. 온도는 일반적으로 고도가 높아짐에 따라 감소하지만, 낮 동안 햇빛에 노출되어 발생한 열은 밤에 방출되어 지표면에 따뜻한 지역을 만들고 그 위에 더 차가운 공기를 만들 수 있는데, 이것은 역전 현상(수온약층의 또 다른 예)으로 알려져 있다. 일출 시 태양 에너지가 지면을 데우고, 이로 인해 따뜻한 공기가 상승하여 역전층을 불안정하게 만들고 결국 역전시킨다.[7]
4. 1. 대기 역전층
낮 동안 햇빛에 노출되어 지표면이 가열되면, 지표면 부근에 따뜻한 공기층이 형성되고 그 위에 차가운 공기층이 위치하는 역전 현상이 발생할 수 있다. 이러한 역전층은 대기 오염 물질의 확산을 막아 대기 질에 영향을 미칠 수 있다. 이 현상은 1960년대 소음 공해 연구 분야에 처음 적용되어 도시 고속도로 및 방음벽 설계에 기여했다.[7]5. 수온약층과 음파 전달
개방된 해양에서 수온약층은 음의 음속 구배를 띠어 소나 등 음향 신호를 반사한다. 이는 수온약층에서 밀도가 급격히 변하며 생기는 음향 임피던스 불연속성 때문이다.[2]
스쿠버 다이빙을 할 때 수온이 갑자기 몇 도씩 변하는 수온약층을 볼 수 있는데, 이는 차가운 용승수가 따뜻한 표면층으로 유입될 때 나타난다. 물에 주름진 유리와 같은 모습이 나타나며, 이는 차갑거나 따뜻한 물의 굴절률 차이 때문이다. 이와 같은 슐리렌 현상은 공항이나 사막 도로에서 뜨거운 공기가 아스팔트 위로 올라갈 때도 보이며, 신기루의 원인이 된다.
5. 1. 해양에서의 음파 전달
혼합층은 서피스 덕트라고 불리는 사운드 채널을 형성한다. 해면 바로 아래의 음속 기울기가 양의 영역에 의해 형성되지만, 사운드 채널의 특성상 음선(음의 전파 경로)에 대해 일종의 렌즈처럼 작용하기 때문에 굴절에 의해 수직 방향으로 발산되지 않는다.。 즉, 혼합층 내에서 발생된 음은 혼합층 내에 갇힌다. 그 결과, 직접적인, 즉 지근거리에서의 음장을 넘은 거리에서는, 그 층 바로 아래의 수온 약층 내는 섀도우 존이 되어 음선이 도달할 수 없게 된다.。 수온 약층에 숨어 있는 잠수함은 서피스 덕트 내의 소나로는 탐지할 수 없기 때문에, 혼합층 하단의 깊이를 알아두는 것은 대잠전상 중요하며, 이 깊이를 특히 '''층심'''(layer depth|층심영어)이라고 한다.
또한 수온 약층의 아래쪽에서도, 수온 약층과 심해 등온층의 경계를 음속 극소점으로 하는 사운드 채널이 형성되어 있으며, 이를 심해 사운드 채널 (SOFAR 채널)이라고 한다. 이쪽은 해면이나 해저로의 반사에 의한 음향적 손실이 발생하기 어렵기 때문에, 중간 정도의 음향 출력으로도 매우 장거리의 전파를 기대할 수 있다는 특성이 있으며, 고래의 노래에 의한 장거리 통신이나 SOSUS에 의한 장거리의 잠수함 탐지에 활용되고 있다.
참조
[1]
백과사전
thermocline
https://www.britanni[...]
2023-06-16
[2]
웹사이트
Temperature of Ocean Water
https://web.archive.[...]
University Corporation for Atmospheric Research
2019-12-27
[3]
웹사이트
What is a thermocline?
https://oceanservice[...]
National Oceanic and Atmospheric Administration
2021-10-09
[4]
서적
Discovering H.M.S. Challenger's Physical Measurements Relating to Ocean Circulation
ISTE
2019
[5]
서적
Descriptive Physical Oceanography: An Introduction
Academic Press
2011
[6]
웹사이트
Thermocline
https://glossary.ame[...]
American Meteorology Society
2023-03-11
[7]
간행물
Analysis of highway noise
1973-09
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